[发明专利]程序升温-红外光谱联用装置及其在催化剂制备中的应用

说明书

本发明涉及一种程序升温和红外联用装置及其在催化剂制备中的应用，装置包括程序升温反应系统和傅立叶变换红外光谱检测系统，也可加装热导池检测器。程序升温反应系统由加热炉、反应管、带流量控制的两路以上气路模块以及程序升温控制模块构成。傅立叶变换红外系统由气体样品池和红外检测器构成。从程序升温反应管出来的气体可以直接进入检测系统或通过旁路排大气。进入检测系统的气体可以直接进入傅立叶变换红外光谱仪气体样品池中或通过分流/不分流气路经热导池检测器检测后再进入傅立叶变换红外光谱仪气体样品池。该程序升温和红外联用装置用于研究催化剂还原过程，有助于全面认识还原过程和反应机理。

技术领域

本发明属于仪器仪表技术领域，具体地说，涉及一种固体材料特别是固体催化剂表征的热分析仪器及其在固体催化剂制备过程研究中的应用。

背景技术

程序升温分析技术是研究固体材料或预先经过某种特定方法处理的固体材料，在特定气体流动氛围下，按照一定程序升温过程中气体组成的变化，并将这种变化作为温度或时间的函数来研究其规律的一种技术。它是一种自动化动态跟踪测量，所以与静态法相比有连续、快速、简便等优点，广泛地应用于无机化学、有机化学、高分子化学、生物化学、冶金学、石油化学、矿物学和地质学等各个学科领域。程序升温分析技术还是催化领域重要的研究手段，在包括催化剂活性评价、催化剂制备条件选择、催化剂组成确定、确定金属活性组分的价态、金属活性组分与载体的相互作用、活性组分分散阈值及金属分散度测定、活性金属离子的配位状态及分布、固体催化剂表面酸碱性测定、催化剂老化及失活机理、催化剂的积炭行为、吸附和表面反应机理、催化剂再生及其条件选择和多相催化反应动力学等十几个方面有全面应用。

程序升温技术具体包括程序升温脱附(TPD)、程序升温还原(TPR)、程序升温氧化、程序升温硫化以及程序升温表面反应等技术。利用TPD技术可表征催化剂表面活性组分或载体与气体探针分子的作用强弱。比如在惰性气氛下(如N₂或Ar气氛)以碱性的NH₃作为探针分子，得到的谱图反映不同温度下的NH₃脱附情况。NH₃脱附温度越高，说明NH₃与催化剂表面活性组分或载体作用越强，间接反映出催化剂的酸性越强；NH₃脱附峰面积越大则表示脱附的NH₃的量越大，间接反映出酸性位的数量越多。若将碱性的NH₃分子换为酸性的CO₂探针分子，则可用于表征催化剂的碱性。TPR技术则是将低浓度H₂和惰性气体混合气(如H₂/Ar或H₂/N₂混合气)以一定流速通过金属氧化物，同时以一定程序升温。在特定温度下，特定氧化物种被还原，消耗氢气，记录仪记录气流组成的变化，得到TPR谱图。谱图中每一个TPR峰一般代表着催化剂中一个可还原物种，其最大值所对应的温度称为峰温，反映了催化剂上氧化物种被还原的难易程度；峰形曲线下包含的面积大小正比于该氧化物种量的多少。通过TPR技术可获得金属价态变化、金属间的相互作用、金属氧化物与载体间相互作用、氧化物还原反应的活化能等信息。另外很多催化剂一般通过H₂气氛下还原其氧化物前驱体制备，通过TPR技术可以获得催化剂制备过程的很多重要信息。

程序升温装置一般由反应系统和分析检测系统两部分组成(图1)。反应系统的核心包括可控制升温程序的加热炉和石英反应管，分析检测系统执行元器件为热导池检测器(TCD)。程序升温装置一般需要两种以上气体，分为吹扫气体和吸附(反应)气体。吹扫气体多选用Ar或N₂等惰性气体，吸附(反应)气体一般为探针分子或反应性气体(如H₂、O₂或H₂S等气体)与惰性气体的混合气。以TCD为检测器时，气体经过流量控制后需要先进入TCD作为参比，经过反应后再次进入TCD，从而实现导热系数的比对，测定并记录气体组成的变化。